KURSHEFTE TIL FORKURS I MATEMATIKK

Transkript

1 KURSHEFTE TIL FORKURS I MATEMATIKK Variant av Magnus Dehli Vigeland UNIVERSITETET I OSLO MATEMATISK INSTITUTT

2

3 Innhold Oppvarming 3. Noen viktige tallmengder. Notasjon Mer om mengder Litt om logikk og bevisføring Oppgaver Potenser og logaritmer 0. Potenser og røtter Manipulering av annengradsuttrykk Logaritmer Oppgaver Funksjoner 3 3. Grunnleggende definisjoner Grafen til en funksjon Å bygge funksjoner Funksjoner med delt forskrift Oppgaver Polynomer og rasjonale uttrykk 3 4. Polynomdivisjon Nullpunktsetningen Delbrøkoppspalting Oppgaver Trigonometri Trekanter De trigonometriske funksjonene Grafene til sin x, cosx og tanx Trigonometriske likninger Setninger om generelle trekanter Oppgaver Grenseverdier og asymptoter Grenseverdier Asymptoter Oppgaver

4 7 Derivasjon Grunnleggende derivasjon Kjerneregelen Å finne tangenter Høyere ordens deriverte Oppgaver Funksjonsdrøfting Fortegnslinjer Monotoniegenskaper Ekstremalpunkter og ekstremalverdier Krumningsegenskaper Vendepunkter og vendetangenter Et større eksempel Oppgaver Integrasjon Ubestemte integraler Delvis integrasjon Integrasjon ved substitusjon Integrasjon av rasjonale uttrykk Oppgaver Differensiallikninger 9 0. Separable difflikninger Første ordens lineære difflikninger Oppgaver Fasit 7

5 Oppvarming. Noen viktige tallmengder. Notasjon. Å uttrykke seg presist er svært viktig i matematikken. I motsetning til i dagliglivet, der samme ord kan bety vidt forskjellige ting, og utsagn ofte kan tolkes på ulike måter, må matematiske begreper ha klare og utvetydige definisjoner. En fundamental byggekloss i det matematiske språket er mengdebegrepet: Definisjon.. Mengde En mengde er en samling objekter. Objektene i en mengde kalles ofte elementer. Dersom objektet a er med i mengden A, skriver vi a A. Omvendt skriver vi a / A hvis a ikke er med i A. Symbolet leses «er element i», eller «er med i». Dersom A og B er to mengder slik at alle elementene i A også er med i B, sier vi at A er en delmengde av B, eller at A er inneholdt i B. Dette skriver vi som A B. Nesten alle mengdene vi skal jobbe med, er tallmengder, det vil si mengder der alle objektene er tall. Tallmengder skriver vi ofte på listeform, med klammeparenteser rundt. Eksempel.. {,, 3} er en tallmengde med tre elementer. Mengden endres ikke dersom noen av elementene gjentas, eller hvis rekkefølgen endres. For eksempel er {3, 3,,, } = {,, 3}. Eksempel.. Dersom A = {,, 3}, så er A, men 4 / A. Eksempel.3. La A = {, 0, 3} og B = {,, 0,,, 3}. Da er A B, fordi B, 0 B og 3 B. Dersom en tallmengde inneholder flere elementer enn vi orker å skrive opp, kan vi ofte slippe unna med å skrive..., som betyr «og så videre». På denne måten kan vi også skrive opp mengder med uendelig mange tall. Eksempel.4. Mengden {,, 3,..., 00} består av alle tallene fra til 00. Eksempel.5. Mengden {3, 6, 9,,... } består av alle tallene i «3-ganger n», altså de positive tallene delelige med 3. Noen tallmengder forekommer veldig ofte, og har derfor fått egne navn. 3

6 Definisjon.. Noen viktige tallmengder N = {,, 3,... }. Mengden av de positive heltallene, også kalt de naturlige tallene. Z = {...,,, 0,,,... }. Mengden av alle heltall. Q = mengden av alle rasjonale tall, altså brøker med heltall i teller og nevner, med eneste restriksjon at nevneren ikke er lik null. R = mengden av alle reelle tall, det vil si alle tallene på tallinja. En mengde som ikke inneholder noen elementer, kaller vi en tom mengde. Denne betegner vi med. En viktig observasjon er at mengdene N, Z, Q og R er inneholdt i hverandre: N Z Q R. Du stusser kanskje over at Z Q, men husk at dersom n er et heltall, så er n = n, som er en brøk. Dermed er alle heltall også rasjonale tall. Reelle tall som ikke kan skrives som en brøk, kalles irrasjonale. Eksempel.6. Allerede de gamle grekerne visste at er irrasjonalt, altså at / Q.. Mer om mengder Når vi skal beskrive mer kompliserte mengder med mange elementer, lønner det seg å bruke en litt annen notasjon enn den vi har brukt til nå, som har bestått i å skrive opp noen av tallene og sette på... til slutt. La for eksempel K være mengden av alle kvadrattallene, altså K = {, 4, 9, 6,... }. En mer kompakt måte å skrive denne mengden på, er K = {a a N} Dette leser vi som «mengden av alle uttrykk på formen a som er slik at a er et naturlig tall». Symbolet leser vi «slik at», og virker altså som en skillelinje, der det som kommer etter, gir utfyllende forklaring av det som står før. Ønsker vi mer enn en forklaring etter streken, setter vi komma mellom dem. Eksempel.7. Mengden Q kan vi skrive som Q = { p p, q Z, q 0}. q 4

7 Eksempel.8. La A være mengden gitt ved at A = {x R x < 0}. Da er A =, fordi det ikke finnes noe reelt tall x slik at x er mindre enn null. En spesiell type tallmengder er intervaller. Dette er delmengder av R som inneholder alle tallene i «en bit» av tallinja. Intervallet [0, ] inneholder for eksempel alle reelle tall fra og med 0 til og med. Firkantparentesene [ og ] markerer at endepunktene 0 og er med. Intervallet kalles da lukket. Dersom vi ikke vil ha med endepunktene, skriver vi (0, ). Intervallet er da åpent. Hvis det ene endepunktet er med, og det andre ikke, kalles intervallet halvåpent. Eksempel.9. La A være det halvåpne intervallet [0, ). Da er 0 A, mens / A. Til slutt skal vi forklare de to viktige begrepene union og snitt. Definisjon.3. Union og snitt av mengder La A og B være mengder. Mengden av alle elementer som er enten i A eller i B (eller i begge), kaller vi unionen av A og B. Vi skriver dette som A B. (Se figur.) Mengden av alle elementer som er både i A og B, kaller vi snittet av A og B. Vi skriver dette som A B. (Se figur.) A B A B Figur : Unionen av mengdene A og B. Figur : Snittet av mengdene A og B. Eksempel.0. La A = {,, 3, 4, 5} og B = {4, 5, 6, 7, 8}. Da er A B = {,, 3, 4, 5, 6, 7, 8} og A B = {4, 5}..3 Litt om logikk og bevisføring I mange oppgaver må man gjøre mer enn en enkeltstående utregning for å komme fram til svaret. Det kan være nødvendig med et matematisk resonnement, bestående 5

8 av logiske argumenter. For å få en ryddig framstilling av slike resonnementer, bruker vi gjerne implikasjonspilen, som i utsagnet Det regner = Bakken blir våt Implikasjonspilen betyr at det som står ved starten av pilen, medfører (eller impliserer) det som står ved slutten av pilen. Legg merke til at selv om en implikasjon er gyldig, som i eksemplet over, er det ikke sikkert det samme gjelder når vi snur pilen: Det regner = Bakken blir våt Ved første øyekast virker dette utsagnet også rimelig. Men det er ikke logisk gyldig. Det kunne for eksempel tenkes at noen spylte vann på bakken fra en slange! Du synes kanskje at eksemplet over har lite med matematikk å gjøre? Dessverre er det fort gjort å gå i logiske «feller» i matematikken også. En typisk feilslutning er utsagnet x = 4 = x = Dette er ikke sant. Det riktige er at x = 4 medfører at x er lik enten eller -. I dette tilfellet er imidlertid den motsatte implikasjonen gyldig: Se nå på det logisk gyldige utsagnet x = 4 = x = n er et heltall = n er et partall Her er den motsatte implikasjonen også riktig: n er et heltall = n er et partall Når vi har implikasjon begge veier som i dette eksemplet, samler vi gjerne begge utsagnene til ett, ved å bruke ekvivalenspilen : n er et heltall n er et partall Symbolet leses «er ekvivalent med», eller «hvis og bare hvis». I oppgaveseksjonen vil du se flere eksempler på logisk (u)gyldige utsagn og bruk av implikasjonspiler. 6

9 .4 Oppgaver Oppgave.. Skriv utsagnet med symboler. a) er et heltall. b) π er ikke et naturlig tall. c) y er et reelt tall. d) z er et reelt tall større eller lik, men mindre enn 5. e) x er med i mengden som består av tallene 0, og. Oppgave.. Avgjør om påstandene er sanne eller usanne: a) π Z b) 4 N c) {, 0,, 5, 7} N d) 3 R e) {0,, π} R f) Z = N {0,,, 3,... } Oppgave.3. Beskriv mengdene med ord. a) {n n Z} b) {n n N} c) {n + n N} Oppgave.4. Finn A B og A B. a) A = {0,, } og B = {4, 5, 6} b) A = [, 3) og B = {, 3} c) A = N og B = {,, 0,, } d) A = [0, 3) og B = (, 5] Oppgave.5. La A være en vilkårlig mengde. Skriv følgende uttrykk enklere: a) A A b) A A c) A d) A (Hint: Bruk Definisjon.3 helt bokstavelig.) Oppgave.6. Skriv med symboler. (Det kan være flere riktige måter å gjøre dette på. Fasitsvarene er mine forslag.) a) Mengden av alle naturlige tall delelig med 4. b) Mengden av alle reelle tall fra og med til og med π, samt tallet. c) Mengden av kvadrattall større enn 5. Oppgave.7. Avgjør hvilket av symbolene,, som skal stå i boksene. a) y = 3 y = 3 b) x > 0 x > 0 7

10 Oppgave.8. Skriv utsagnet med symboler og avgjør om det er logisk gyldig. a) Hvis a er et heltall, så er også a et heltall. b) Hvis n er et naturlig tall, så er også n et naturlig tall. c) Hvis x er et heltall, så er x et rasjonalt tall. d) Hvis b er et av tallene, 0, og, så er b et av tallene 0 og. e) Hvis y er mellom 0 og, så er y større enn y. Ekstraoppgave hvis du har tid (ikke så vanskelig som den ser ut): Oppgave.9. I denne oppgaven skal vi kikke nærmere på tallmengdene vi snakket om i begynnelsen av kapittelet. Først litt teori: Dersom du tar to tilfeldige tall i N og adderer dem, får du alltid et nytt tall i N som svar. Vi sier at N er lukket under addisjon. På samme måte er N lukket under multiplikasjon: Hvis a og b er naturlige tall, er ab også et naturlig tall. Generelt definerer vi følgende: La A være en mengde av tall. Vi sier at A er lukket under addisjon hvis: for alle a, b A er a + b A, A er lukket under subtraksjon hvis: for alle a, b A er a b A, A er lukket under multiplikasjon hvis: for alle a, b A er a b A, A er lukket under divisjon hvis: for alle a, b A, b 0, er a b A. a) Vis at N ikke er lukket under subtraksjon. b) Er mengden {, 0, } lukket under addisjon? Hva med multiplikasjon? Det er vanlig å gi ulike mengder bestemte navn, avhengig av hvilke operasjoner de er lukket under. Dersom en tallmengde A er lukket under både addisjon og subtraksjon, kalles A en gruppe. Hvis A i tillegg er lukket under multiplikasjon, er A en ring. Hvis A er lukket under alle de fire regneoperasjonene, sier vi at A er en kropp. c) Vis at mengden av alle partall, {...,, 0,, 4,... }, er en ring. d) Vis at mengden av alle oddetall, {...,,, 3, 5,... }, ikke er en ring. e) Vis at Q og R er kropper. 8

11 f) Kan du forklare hvorfor Q er den minste tallmengden som inneholder N og som samtidig er en kropp? g) Hva er din favorittkropp? En av professorene her på Blindern er kjent for å stille studentene dette utfordrende spørsmålet. 9

12 Potenser og logaritmer. Potenser og røtter De grunnleggende definisjonene av potenser og røtter kan vi uttrykke slik: Definisjon.. Potenser og røtter La a R og m N. a) Potensen a m betyr a ganget med seg selv m ganger: a m = m faktorer { }} { a a a. () Tallet a kalles grunntallet, mens m er eksponenten. Uttrykket a m leser vi «a (opphøyd) i m te», eller «m te-potensen av a». b) m te-roten m a er en løsning i likningen x m = a. () Dersom m er et oddetall, har () en unik løsning for alle a R, og vi definerer m a til å være dette tallet. Dersom m er et partall, har () ingen løsninger når a < 0, én løsning når a = 0 (nemlig x = 0), og to løsninger når a > 0. I dette tilfellet er derfor m a bare definert når a 0, og da som den ikke-negative løsningen av (). Den mest brukte m te-roten er kvadratroten, nemlig tilfellet der m =. Her sløyfer vi det lille -tallet og skriver bare a. Ut fra Definisjon.a) utleder vi følgende fine egenskaper ved potenser: Teorem.. La a og b være reelle tall, og m og n naturlige tall. Da gjelder: a) a m a n = a m+n b) am a n = am n, (m > n) d) a m b m = (ab) m e) am b = ( a m b ) m c) (a m ) n = (a n ) m = a m n Bevis. a) Fra Definisjon.a), får vi direkte: m faktorer n faktorer a m a n { }} { { }} { = } a a a{{ a a a} = a m+n. m+n faktorer 0

13 De resterende bevisene går på tilsvarende måte. (Se oppgave.9.) Teorem. gir en naturlig måte å utvide definisjonen av potenser slik at vi kan tillate andre tall enn bare de naturlige tallene som eksponenter. Vi kan for eksempel spørre oss: Hvis det var noe som het a 0, hva skulle dette være for noe? Hvis vi antar at regnereglene i Teorem. gjelder også når m, n 0, får vi ved å sette m = 0 i punkt a) at a 0 a n = a 0+n = a n. Deler vi på begge sider med a n, står vi igjen med a 0 =. På samme måte kan vi undersøke hva a opphøyd i et negativt heltall skulle være, ved å bruke punkt b): Setter vi m = 0 her, får vi at a 0 a n = a0 n = a n. Dersom vi holder fast på at a 0 =, betyr dette altså at a n = a n. Til slutt ser vi på uttrykket a m, der m N. Hvis noe slikt skal gi mening og samtidig respektere Teorem., gir punkt c) at vi må ha ( ) m a m = a m m = a. Men dette vil si at a m tilfredsstiller likning () i definisjonen av m te-roten av a! Motivert av det vi nettopp har diskutert, lager vi følgende definisjon: Definisjon.3. La m være et naturlig tall. Da er a) a 0 = for alle a R, a 0. Uttrykket 0 0 er ikke definert. b) a m = for alle a R, a 0. am c) a m = m a for alle a R slik at m a er definert. Mer generelt definerer vi for alle a 0 og alle naturlige tall m og n: d) a m n = ( n a) m = n a m. e) a m n = ( n a) = n. m a m Dersom n er odde, kan vi tillate negative a i d) og e). Uttrykkene blir de samme.

14 Resultatet av Definisjon.3 er at vi har utvidet potensbegrepet til å gjelde eksponenter i hele Q (ikke bare i N.) Det er også mulig å definere potensuttrykk der eksponenten er irrasjonal, for eksempel π. Idéen er å betrakte følgen 3, 3,, 3,4, 3,4..., der eksponentene er rasjonale tall som blir stadig nærmere π. Man kan vise at følgen nærmer seg et bestemt tall, som vi definerer til å være π. Vi går ikke nærmere inn på detaljene her. Vi oppsummerer potensreglene i generell form: Teorem.4. Potensregler La a, b, m, n R, der a, b 0. Følgende regler gjelder der hvor uttrykkene er definert: a) a m a n = a m+n b) am a n = am n d) a m b m = (ab) m e) am b = ( a m b ) m c) (a m ) n = (a n ) m = a m n Vi tar med noen eksempler for å vise hvordan reglene over brukes. Eksempel.. Regn ut: a) 3 ( 5 6 b) 0 4 a 3 4 c) a ) Løsning. a) = = 5 = 5. b) = 0 ( 4 ) /3 = 0 ( 4 ) 3 = 0 = 0+ = 4. ( 4 a c) Enten: 3 3 ) 6 ( 3 a ) 4 6 ( 3 = = a 4 3) 6 = (a ) 6 = a = a, a eller: a 3 ( 4 a 3 3 ) 6 ( 4 a 3 ) 6 = a ( 3 a ) = a a = a 3 6 a = 4 a9 4 = a = a.. Manipulering av annengradsuttrykk I denne seksjonen skal vi se nærmere på potenser av annen grad, såkalte kvadrater. Stoffet burde være velkjent, men brukes så ofte at det kan være greit med en repetisjon.

15 .. Kvadratsetningene De tre kvadratsetningene er små huskeregler som gjør en matematikers hverdag litt enklere. Teorem.5. Kvadratsetningene. kvadratsetning: (a + b) = a + ab + b. kvadratsetning: (a b) = a ab + b 3. kvadratsetning: (a + b)(a b) = a b (også kalt konjugatsetningen) Bevis. Her er det ikke noe hokus-pokus. Det er bare å gange ut venstresidene, så får du høyresidene. For eksempel: (a + b) = (a + b)(a + b) = a + ab + ab + b = a + ab + b. Noen lurer kanskje på hvorfor det er noe vits i å terpe så mye på disse tre «setningene» det er jo likevel bare å regne ut hvis man skulle glemme dem. Det er selvfølgelig riktig, men det er likevel minst to gode grunner til å ha dem spikret i hjernebarken. Den første er at de sparer deg for både tid og slurvefeil i mange utregninger: Eksempel.. Regn ut ( 5x 3x + + x 3)( 5x 3x + x + 3). Løsning. Begynner man å gange ut her, er det lett å gå seg vill og ende opp med feil. I stedet ser vi at vi kan sette parenteser litt lurt, slik at konjugatsetningen kan brukes: ( 5x 3x + + (x 3) )( 5x 3x + (x 3) ) = 5x 3x + (x 3) = 5x 3x + (x 6x + 9) = 4x + 3x 8. I nest siste overgang brukte vi også. kvadratsetning for å regne ut (x 3). Den andre måten kvadratsetningene kan være til hjelp på, er når man skal faktorisere kompliserte uttrykk. Generelt er det ingen metoder som forteller hvordan man kan faktorisere et vilkårlig uttrykk. Man er altså avhengig av ulike «triks», alt etter hva slags uttrykk det er snakk om. Ett slikt triks er å bruke kvadratsetningene motsatt vei fra høyre mot venstre. Det neste eksemplet viser hvor effektiv denne metoden er: Eksempel.3. Faktoriser uttrykket (z + ) + (z + )z + z. 3

16 Løsning. Kan man ikke kvadratsetningene, er det lett å stå fast her. Men etter å ha stirret en stund på uttrykket, kjenner vi igjen høyresiden i. kvadratsetning, med a = z + og b = z. Og det betyr at vi kan skrive opp faktoriseringen direkte: (z + ) + (z + )z + z = [ (z + ) + z ] = (z + z + ). Vi tar med et eksempel til, litt mer omfattende enn det forrige. Her bruker vi alle tre kvadratsetningene «motsatt vei»: Eksempel.4. Faktoriser uttrykket x 4 x + y 4y 4. Løsning. Ideen her er å skrive uttrykket som en differanse mellom to kvadrater, for så å bruke konjugatsetningen til å faktorisere. La oss begynne med de tre første leddene. Ser du nøye på dem, kjenner du igjen formen til høyresiden i. kvadratsetning, med a = x og b =. Det betyr altså at x 4 x + = (x ). Likeledes kan vi lage et kvadrat av de tre siste leddene, etter først å ha trukket ut en minus: y 4y 4 = (y + 4y + 4) = (y + ). Her brukte vi. kvadratsetning med a = y og b =. Dette betyr at vi kan skrive det opprinnelige uttrykket som x 4 x + y 4y 4 = (x ) (y+). Fordi dette er en differanse av to kvadrater, kan vi faktorisere ved å bruke konjugatsetningen. Vi får at x 4 x + y 4y 4 = (x ) (y + ) = (x + (y + ))(x (y + )) = (x + y + )(x y 3)... Å fullføre kvadratet Et kvadrat (ofte kalt fullstendig kvadrat) er et uttrykk som forekommer i. potens, dvs et uttrykk på formen (...), der innholdet i parentesen kan være hva som helst. Når vi behandler annengradsuttrykk, er det ofte nyttig å skrive om uttrykket slik at det ligner mest mulig på et fullstendig kvadrat. Trikset vi bruker for å gjøre dette, kalles å fullføre kvadratet. Resultatet blir at vi kan omdanne annengradsuttrykk som 4

17 ax + bx + c til noe på formen (...) + r, der r er en konstant. Vi får altså fjernet det lineære leddet, noe som viser seg å ha mange fordeler. Hvordan gjør vi så dette i praksis? Faktisk er alt vi trenger følgende enkle utregning: Metoden med å fullføre kvadratet La b være et reelt tall. Da er x + bx = x + bx + b b = (x + b) b. (3) Legg merke til at det eneste som skjer i utregningen, er at vi legger til og trekker fra b. Resten følger direkte fra. kvadratsetning. Sjekk detaljene selv, hvis du er usikker. Eksempel.5. Skriv uttrykket x +0x+7 på formen u +r, der r er en konstant. Løsning. Dersom vi skriver koeffisienten foran x som 5 i stedet for 0, ser de to første leddene i uttrykket ut som x + 5x. Dette uttrykket har samme form som venstresiden i (3), med b = 5. Vi prøver derfor å legge til og trekke fra b = 5. Vi får da at uttrykket vi startet med blir lik x + 0x + 7 = (x + 5x + 5) = (x + 5) 8. Dermed fikk vi skrevet uttrykket på formen u + r, der u = x + 5 og r = 8. Eksempel.6. Løs likningen x + 6x = 5 ved først å lage et fullstendig kvadrat på venstre side. Løsning. For å slippe koeffisienten foran x -leddet, deler vi likningen på : x + 3x = 5. Poenget er nå å fullføre kvadratet på venstresiden ved å legge til et passende tall på begge sider av likhetstegnet. Fordi x + 3x = x + 3 x, ser vi fra utregningen i (3) 5

18 at tallet vi trenger er ( 3 ). Utregningen blir slik: x + 3x = 5 x + 3x + ( 3 ) = 5 + (3 ) (x + 3 ) = = 9 4 x + 3 = ± 9 4 = ± 9 x = 3 ± 9. «Moralen» i metoden med å fullføre kvadratet kan formuleres slik: For å lage et fullstendig kvadrat av x + ax, mangler du ( a ). (4) Vi tar med et eksempel til: Eksempel.7. Faktoriser uttrykket x + x 3 4. Løsning. Vi lager et fullstendig kvadrat av x + x ved å legge til og trekke fra ( ) : x + x 3 4 = [ x + x + ( )] ( ) 3 4 = (x + ). Dette uttrykket lar seg faktorisere ved konjugatsetningen: (x + ) = (x + + )(x + ) = (x + 3 )(x ). Resultatet blir altså at x + x 3 4 = (x + 3 )(x )...3 Annengradslikninger I dag har de fleste kalkulatorer innebygd programmer som kan løse annengradslikninger. Dette er vel og bra, men jeg anbefaler likevel å løse slike likninger for hånd, med mindre tallene er helt horrible (f.eks. desimaltall). De viktigste årsakene er: 6

19 Når du regner for hånd, får du eksakte svar, for eksempel x = 7, i stedet for det avrundete kalkulatorsvaret x =, Eksakte svar er mer informative, lettere å jobbe med og nettopp eksakte! Med litt trening går det stort sett like fort, og ofte fortere, å regne for hånd. Dette handler også om stolthet: En matematikkstudent bør rett og slett kunne løse annengradslikninger uten hjelp fra en maskin! Nok prat her er den gode gamle abc-formelen: Teorem.6. Løsningsformelen for annengradslikninger La a, b og c være reelle tall, der a 0. Likningen ax + bx + c = 0 har løsningene x = b ± b 4ac a forutsatt at b 4ac 0. Dersom b 4ac < 0, har likningen ingen reelle løsninger. Bevis. Se oppgave.8. Et spesialtilfelle av Teorem.6 er verdt å merke seg. Dersom likningen vi skal løse, er på formen x + bx + c, (5) der b og c er reelle tall, får vi nemlig en ekstra fin formel for løsningene: x = b ± (b) 4c = b ± b c Eksempel.8. Løs likningen e x + e x 8 = 0. = b ± b c. (6) Løsning. Setter vi u = e x blir likningen omskrevet til u + u 8. Denne likningen er på formen (5), med b = og c = 8. Formelen (6) gir dermed at u = ± + 8 = ± 3 = u = 4 eller u =. For å finne x, må vi nå løse likningene e x = 4 og e x =. Den første av disse har ingen løsning, fordi e x alltid er positiv. Den andre løser vi på vanlig måte: e x = x = ln. Den opprinnelige likningen har derfor x = ln som eneste løsning. 7

20 Vi tar også med følgende nyttige teorem, som gir en generell formel for faktorisering av annengradsuttrykk: Teorem.7. Faktorisering av annengradsuttrykk La a, b og c være reelle tall, der a 0, og anta at likningen ax + bx + c = 0 har løsningene x og x. (Disse kan være like.) Da har vi faktoriseringen ax + bx + c = a(x x )(x x ). Eksempel.9. Faktoriser uttrykket x +x 3 4 over. fra Eksempel.7 ved å bruke teoremet Løsning. Likningen x + x 3 4 ± x = 4 ( 3 4 ) = 0 har løsningene = ± = x = 3 eller x =. Teorem.7 gir dermed at x + x 3 = (x + 3)(x ). Dette er identisk med svaret 4 vi fikk i Eksempel.7.3 Logaritmer Se på likningen 3 x = 7. Kan vi klare å få x til å stå alene på en side her? Faktum er at dette rett og slett er umulig med de reglene vi har gjennomgått til nå. Vi innfører derfor et helt nytt begrep som er spesialdesignet for å løse slike likninger: Logaritmer. Definisjon.8. Logaritmer med grunntall b La a og b være positive, reelle tall. Vi definerer log b a til å være den eksponenten vi må opphøye b i for at potensen skal bli lik a. Med andre ord er b log b a = a. Tallet log b a kaller vi logaritmen til a med grunntall b. Ifølge denne definisjonen har likningen 3 x = 7 altså løsningen log 3 7. Foreløpig sier dette oss imidlertid temmelig lite vi vet jo ennå ikke hvilket tall dette er! Vi må studere noen flere egenskaper ved logaritmer før vi kan dra noen nytte av dem. To spesielle grunntall opptrer mye oftere enn noen andre når man snakker om logaritmer. Disse er 0 og det berømte tallet e =,

21 I skolematematikken bruker man stort sett grunntallet 0 såkalte Briggske logaritmer. I høyere matematikk derimot, benytter man så å si utelukkende e som grunntall: Definisjon.9. Naturlige logaritmer Logaritmer med grunntall e =, 7... kalles naturlige logaritmer. I stedet for log e a skriver vi ln a. For alle a > 0 er ln a definert som det tallet vi må opphøye e i for å få a, det vil si at e ln a = a. Hvis a 0, er ln a ikke definert. Tallet e er i seg selv et meget interessant tall. En måte å definere det på, er ved grenseverdien e = lim x ( + x )x, uten at vi skal gå nærmere inn på dette her. Selv om tallet e virker som et mer komplisert grunntall enn for eksempel 0, er det mange grunner til at naturlige logaritmer er som navnet antyder et naturlig valg. Disse grunnene blir klarere etter hvert som man lærer mer om funksjonsanalyse. Men som et eksempel kan vi nevne at eksponentialfunksjonen e x er den eneste funksjonen (opp til multiplikasjon med en konstant) som er sin egen derivert! Det er på tide å se på de grunnleggende regnereglene for logaritmer. Siden vi fra nå av utelukkende skal bruke naturlige logaritmer, skriver vi formlene under med ln, selv om tilsvarende formler gjelder for logaritmer med vilkårlig grunntall. Teorem.0. Regneregler for logaritmer La a og b være positive, reelle tall, og x et vilkårlig reelt tall. Vi har at a) ln e a = a b) ln e = c) ln = 0 d) ln(ab) = ln a + ln b e) ln( a b ) = ln a ln b f) ln(ax ) = x ln a Bevis. a) Dette følger direkte fra Definisjon.9: ln e a er det tallet vi må opphøye e i for å få e a. Men det er selvfølgelig a. b) og c) Disse er spesialtilfeller av formelen ln e a = a, med a lik og 0. d) Fra Definisjon.9 har vi at e ln(ab) = ab. På den annen side er e ln a+ln b = e ln a e lnb = ab. 9

22 Dette betyr at e ln(ab) = e ln a+ln b. Siden grunntallet i begge potensene er e, må eksponentene være like. Altså er ln(ab) = ln a + ln b. e) og f) Disse bevises ved å bruke samme triks som i d). Se Oppgave.0. Alle gode kalkulatorer kan regne ut naturlige logaritmer. Sammen med Teorem.0 gjør dette oss endelig i stand til å løse eksponentiallikninger som 3 x = 7. Tar vi ln på begge sider og bruker punkt f) fra teoremet over, får vi nemlig: 3 x = 7 ln 3 x = ln 7 x ln 3 = ln 7 x = ln 7 ln 3. Med kalkulator kan vi regne ut at x, Oppgaver Oppgave.. Regn ut uten kalkulator: a) b) (6 7) 3 5 c) d) 7 7 ( ) 7 Oppgave.. Forkort brøkene så mye som mulig. a x x y 7 3 y (b ) a) b) c) a x 5 ( 3 d) y 5 ) (b ) 5 Oppgave.3. Skriv uttrykket enklere. b a) a 3 b) 3 a3 (a 3 ) 3 c) a + a a Oppgave.4. Alle bokstavene står for positive reelle tall. Skriv uttrykket enklere, og ordne bokstavene i teller og nevner alfabetisk til slutt. Oppgave.5. Regn ut. de 3 5 (tt) e 5 (er) 6 6. ki 3 n 0 k(ig 3 4 ) 4 3 a) ( + a ) b) (x + x ) c) (e x e x ) Oppgave.6. Regn ut. a) ( x + )( x ) b) (7 a )(7 + a ) c) ( + e x )( e x ) d) (x x + 3)(x + 3 x + 3) 0

23 Oppgave.7. Skriv uttrykket som et kvadrat. a) x + 6x + 9 b) 4x 4x + c) (y 7) + (y 7) + Oppgave.8. Forkort brøkene så mye som mulig: a) x 9 (x + ) 5 x b) c) x 3 4 x 5 x d) e) x 4 a x ab 5 a 5 b f) a ab + b x + y x 4y Oppgave.9. Faktoriser følgende uttrykk ved hjelp av kvadratsetningene: x 4 x y + y 4 + (x y ) +. Oppgave.0. Løs annengradslikningene under ved hjelp av formelen i Teorem.6 eller den alternative formelen (6). a) x x 3 = 0 b) x x + 35 = 0 c) 3x + 8x + 4 = 0 d) 6x 5 x 5 4 = 0 e) x + 6x = 0 f) 6x + 5x 3 = 0 Oppgave.. Bruk løsningene du fant i Oppgave.0 til å faktorisere venstresidene i likningene. Oppgave.. Inger og Christin morer seg med kalkulatorene sine ved å spille følgende spill: De starter med et tall på formen a N, der a og N er naturlige tall større enn. Inger tar kvadratroten av tallet og sier svaret til Christin, som deler svaret på a. Inger tar kvadratroten av dette igjen, og Christin deler det nye svaret på a. Slik veksler de på å ta kvadratroten og å dele på a helt til en av dem får et svar som er mindre enn a. Den som får det, vinner spillet. Hvis noen av dem ender opp med tallet a nøyaktig, blir det uavgjort. a) Hvem vinner hvis tallet de starter med er i) 5, ii) 3 4, iii) 7 0? b) Har verdien av a noen betydning for utfallet? Forklar. c) Hvilke starttall a N gir uavgjort resultat? Oppgave.3. Finn alle reelle løsninger av likningene. a) x 6 + 7x 3 8 = 0 b) e x 6e x + 8 = 0 c) (lnx) + ln x 3 = 0 d) e x 3e x+ + e = 0 (Hint til c) og d): Skriv om uttrykkene ln x 3 og e x+.)

24 Oppgave.4. Skriv så enkelt som mulig. a) ln 4 ln b) 3 ln + ln9 ln 4 c) ln(e) ln e3 Oppgave.5. Løs likningene og oppgi svaret på eksakt form. Prøv å forenkle så mye som mulig. a) x = b) e x = 9 c) e x = d) 4 x = 5 e) 8 x = f) x = 3 x g) 7 x x = 4 h) ex 3 = e Oppgave.6. Skriv så enkelt som mulig. a) ln(3e a ) b) ln( a + ) c) ln(a ) ln(a ) d) ln a lna e) ln a + ln a + ln a Ekstraoppgaver hvis du har tid: Oppgave.7. Regn ut uttrykket der 0 y x. ( x + y x y)( x y x + y), Oppgave.8. (Bevis for løsningsformelen for annengradslikninger). La a, b og c være reelle tall slik at a 0 og b 4ac 0. Bruk metoden med å fullføre kvadratet til å løse annengradslikningen (Hint: Følg mønsteret fra Eksempel.6.) ax + bx + c = 0. Oppgave.9. Identifiser og tenk gjennom forskjellene mellom teoremene. og.4. Oppgave.0. Bevis formlene e) og f) i Teorem.0.

25 3 Funksjoner Funksjonsbegrepet er en av de viktigste oppfinnelsene i matematikken. I dette kapittelet tar vi for oss de grunnleggende definisjonene og egenskapene knyttet til funksjoner. Dette danner basis for funksjonsdrøftingen senere i heftet. 3. Grunnleggende definisjoner Det er viktig å ha klart for seg hva en funksjon egentlig er. Du har sikkert jobbet mye med funksjoner i skolen, men kan du på stående fot gi en presis definisjon? Det er kanskje ikke så lett. Definisjon 3.. Funksjon La D og V være mengder. En funksjon f fra D til V er en regel som til ethvert element x D tilordner nøyaktig ett element f(x) V. Vi skriver f : D V. Elementene i D kalles argumentene til f, mens de tilordnede elementene f(x) V er verdiene til f. Mengden D kaller vi definisjonsmengden til f. Mengden av alle verdiene til f kaller vi verdimengden til f. Verdimengden til f trenger ikke være hele V. Dersom alle verdiene til f er reelle tall, kalles f en reell funksjon. For å understreke hvilken funksjon vi jobber med, er det vanlig å bruke notasjonen D f og V f om definisjons- og verdimengden til f. De fleste funksjonene vi jobber med er slik at både definisjonsmengden og verdimengden er tallmengder. Det er imidlertid viktig å være klar over at dette ikke er nødvendig; mengdene D og V i definisjonen over kan bestå av hva som helst. Eksempel 3.. Vi definerer funksjonen f : {studenter på forkurset} N ved at hvis x er en student, så er f(x) fødselsdagen til studenten, skrevet som et heltall etter mønsteret DDMMÅÅ. Forklar at f tilfredsstiller Definisjon 3. og bestem mengdene D f, V og V f i dette tilfellet. Løsning. Observer først at hver eneste student har en entydig fødselsdag (det gjør ingenting om noen er født på samme dag.) Skrevet på formen DDMMÅÅ gir fødselsdagen et entydig positivt heltall. Funksjonen er dermed veldefinert. D f er mengden 3

26 av alle studentene på forkurset. V er lik N, altså mengden av alle positive heltall. Verdimengden V f er en liten delmengde av N. Skulle vi beskrevet V f nøyaktig, måtte vi ha listet opp fødselsdagene til alle studentene. I mangel av disse opplysningene, nøyer vi oss med noen observasjoner som sirkler inn V f betraktelig: V f består av heltall i intervallet [000, 399]. (Hvilke fødselsdager svarer endepunktene til?) Antall elementer i V f er likt som, eller (høyst sannsynlig) mindre enn antall deltakere på forkurset. Alle tallene i V f har enten 0 eller som tredjesiffer. (Hvorfor?) Eksempel 3.. La h være funksjonen definert ved at for ethvert naturlig tall n, så er h(n) lik det siste sifferet i tallet. For eksempel er h(3) = 3, og h(0) = 0. Bestem D h og V h i dette tilfellet. Løsning. Her er D h = N, mens V h = {0,,, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}. Hvis du synes at funksjonene i eksemplene over var snodige, så har du litt rett i det. De aller fleste funksjonene vi skal jobbe med, er slike som du er vant med fra før reelle funksjoner der definisjonsmengden er et intervall (eller en union av intervaller) i R. Slike funksjoner blir gjerne definert ved hjelp av formeluttrykk, for eksempel f(x) = x + 3x +. (7) Dersom definisjonsmengden til en funksjon ikke oppgis, antar vi alltid at funksjonen er definert for alle x slik at formeluttrykket gir mening. Høyresiden i (7) er for eksempel definert for alle x R, så da setter vi D f = R. Eksempel 3.3. Finn definisjons- og verdimengden til hver av funksjonene: a) f(x) = x, b) g(x) = x, c) h(x) = x, < x <. Løsning. a) Her blir D f = V f = R. b) Uttrykket x er definert for alle x R, så D g = R. Videre er V g = [0, ). Bevis: For ethvert tall a [0, ) finnes et tall x R slik at g(x) = a, nemlig x = a. Hvis a < 0, finnes ingen slik x. c) Her kreves det i oppgaven at x skal ligge mellom og. I tillegg er kvadratroten x veldefinert bare når x 0, dvs x, som betyr at vi enten har x eller x. Alt i alt får vi at D h = (, ] [, ). Verdimengden blir V h = [0, 3). 4

27 3. Grafen til en funksjon En av de viktigste kildene til informasjon om en (reell) funksjon, er grafen til funksjonen. Når vi tegner denne i et koordinatsystem, får vi et fint bilde av hvordan funksjonen oppfører seg. Den enkleste om ikke akkurat den mest elegante metoden å tegne grafen til en funksjon på, gjennomgås allerede på ungdomsskolen: Tegning av grafen til en funksjon f. Velg et passende intervall som grafen skal tegnes over. (Gjerne der funksjonen er mest «interessant».) Velg noen passende x-verdier i dette intervallet, f.eks. x, x,...x m, og lag en tabell over de tilhørende funksjonsverdiene, f(x ), f(x ),...f(x m ). Marker punktene (x, f(x )), (x, f(x )),...(x m, f(x m )) i et koordinatsystem. (Husk: x er alltid langs førsteaksen.) Tegn en jevn kurve som går gjennom de markerte punktene. Kurven vi får på denne måten, blir en god tilnærming til grafen. Desto flere punkter vi velger, jo mer nøyaktig blir grafen. I de fleste tilfeller er det imidlertid mer enn nok å ta med 7-8 punkter. På figur 3 har vi tegnet grafen til funksjonen f(x) = 5 x3 x+ over intervallet [ 3, 3]. Som tabellen viser, har vi valgt x-verdiene 3,,...,3. 3 y x x3 x x Figur 3: Tegning av grafen til f(x) = 5 x3 x + over intervallet [ 3, 3]. Senere i heftet, når vi har gjennomgått derivasjon, skal vi se på teknikker for å drøfte funksjoner og deres grafer mer inngående. Dette vil også gjøre selve graftegningen langt mer effektiv og presis. Her er det lov å bruke kalkulator, hvis du absolutt må... 5

28 3.3 Å bygge funksjoner Dersom f og g er to funksjoner, kan vi «bygge» nye funksjoner ut fra disse to. Det er to hovedmåter vi kan gjøre dette på. Den mest opplagte metoden er å bruke de 4 regneartene. Hvis for eksempel f(x) = x + og g(x) = x 3, (8) kan vi lage nye funksjoner ved å legge dem sammen ( x + + x 3 ), trekke dem fra hverandre ( x + x 3 og x 3 x + ), gange dem sammen ( x + x 3 ) eller dele den ene på den andre ( x+ x og 3 x 3 x+ ). Den andre metoden er å sette funksjonene inni hverandre. Med f og g som i (8), får vi med denne teknikken de to funksjonene f(g(x)) = x 3 + og g(f(x)) = ( x + ) 3 = (x + ) 3. Den innerste funksjonen kalles ofte kjernen i det sammensatte uttrykket. Funksjoner som er bygget opp på denne måten, er utgangspunktet for den berømte kjerneregelen, som vi kommer til i kapittel 7. Teoremet under oppsummerer diskusjonen over og gjør rede for definisjonsmengdene til de nye funksjonene. Beviset for teoremet følger fra Definisjon 3., men vi hopper over dette flisespikkeriet her. (Ikke la deg lure av at vi setter opp dette som et fancy teorem det meste er rene selvfølgeligheter.) Teorem 3.. Anta at f(x) og g(x) er funksjoner. Da er følgende uttrykk også funksjoner: a) f(x) + g(x) b) f(x) g(x) c) g(x) f(x) d) f(x) g(x) e) f(x) g(x) g) f(g(x)) h) g(f(x)) f) g(x) f(x) Funksjonene i a) d) er definert der både f og g er definert. Definisjonsmengden blir altså D f D g. I e) og f) blir definisjonsmengden D f D g minus de punktene der nevneren er lik null. Funksjonen f(g(x)) er definert for alle x D g som er slik at g(x) D f. Tilsvarende for g(f(x)). 6

29 3.4 Funksjoner med delt forskrift Noen ganger har vi bruk for å «dele» funksjoner i to eller flere biter. Vi kan for eksempel tenke oss en funksjon f som er slik at f(x) = e x for alle negative x-verdier, mens f(x) = x når x 0. I dette tilfellet skriver vi f(x) = { e x, for x < 0, x, for x 0, eller f(x) = { e x, for x (, 0), x, for x [0, ). Slike funksjoner kaller vi funksjoner med delt forskrift, eller bare delte funksjoner. På figur 4 er grafen til f tegnet inn. Her ser du tydelig hvordan grafen til f endrer karakter i x = 0. De punktene der funksjonsuttrykket skifter, kaller vi bruddpunktene til funksjonen. Dersom grafen henger sammen i bruddpunktet (slik at du kan tegne grafen uten å løfte pennen fra papiret), sier vi at grafen er kontinuerlig i bruddpunktet. I motsatt fall, som på figur 5, er grafen diskontinuerlig i bruddpunktet. Figur 4: Grafen til f(x). Grafen er kontinuerlig i bruddpunktet x = 0. Figur 5: En graf som er diskontinuerlig i bruddpunktet x = 0. I kapittel 6 skal vi gi en mer presis definisjon av begrepet kontinuitet. Der skal vi også se hvordan man kan avgjøre kontinuitetsspørsmål ved regning. Eksempel 3.4. En T-banebillett er gratis for barn under 4 år, koster 0 kr for barn (f.o.m 4 år t.o.m 5 år), 0 kr for voksne (6-66 år) og 0 kr for de fra 67 år og oppover. Skriv billettprisen p som en funksjon av alderen x, og tegn grafen til p. (Alderen x trenger ikke å være et heltall. En person kan f.eks. være 5,7 år.) Løsning. Observer først at siden en alder ikke kan være negativ, er definisjonsmengden til p intervallet [0, ). Beskrivelsen i teksten forteller at når x er i intervallet Det høres kanskje litt voldsomt ut å skrive her, men dette er den presise oversettelsen av «og oppover». 7

30 0 p x Figur 6: Billettprisen p uttrykt som funksjon av alderen x. [0, 4), er p(x) = 0. Videre er p(x) = 0 når x [4, 6), p(x) = 0 når x [6, 67), og p(x) = 0 når x [67, ). Dermed får vi at 0, for x [0, 4), 0, for x [4, 6), p(x) = 0, for x [6, 67), 0, for x [67, ). Siden funksjonsuttrykket er det samme i intervallene [4, 6) og [67, ), kan vi skrive funksjonen enda mer kompakt om enn noe mindre leservennlig ved å bruke unionstegnet: 0, for x [0, 4), p(x) = 0, for x [4, 6) [67, ), 0, for x [6, 67). Grafen til p(x) ser du på figur 6. En viktig familie av funksjoner med delt forskrift får vi når vi bruker såkalte absoluttverdier. Definisjon 3.3. Absoluttverdi Absoluttverdien a til et reelt tall a er gitt ved at { a, hvis a 0 a = a, hvis a < 0. (9) 8

31 For å finne 3 ut fra denne definisjonen tenker vi som følger: Fordi 3 er mindre enn null, må vi velge den nederste delen i (9). Dermed får vi at 3 = ( 3) = 3. Absoluttverdien har en geometrisk tolkning som kanskje er mer intuitiv enn Definisjon 3.3: Tallet a er lik avstanden på tallinja fra punktet a til punktet 0. Eksempel 3.5. Skriv funksjonen f(x) = x uten å bruke absoluttverdi-notasjon. Løsning. Som du sikkert allerede har gjettet, er trikset å skrive f med delt forskrift. Ifølge Definisjon 3.3 er x lik x når x 0, det vil si når x. Når x er mindre enn null, altså når x <, har vi derimot at x = (x ) = x. Resultatet av dette er at vi kan skrive { x, hvis x, f(x) = x = x, hvis x <. Vi tar et eksempel til: Eksempel 3.6. Skriv funksjonen g(x) = e x+ x uten absoluttverdi-notasjon. Løsning. La oss se på eksponenten x+ x først. Ved å bruke Definisjon 3.3 får vi at { x + x = x, hvis x 0, x + x = x x = 0, hvis x < 0. Dette gir at vi kan skrive (husk at e 0 = ): { g(x) = e x+ x e x, hvis x 0, =, hvis x < Oppgaver Oppgave 3.. Bestem definisjonsmengden til funksjonen. a) f(x) = x 3 b) g(x) = x c) h(x) = x d) A(x) = ln(x 3) e) f(x) = x (x 3)(3x 5) f) y(x) = 4 x 9

32 Oppgave 3.. Bestem verdimengden til funksjonen. (Skisser gjerne grafen som hjelp!) a) f(x) =, x > 0 b) g(x) = 4x, x x c) h(x) = x d) k(x) = x Oppgave 3.3. La funksjonen f være gitt ved at for alle reelle x 0 så er f(x) lik desimaldelen til x. For eksempel er f(5.) = 0., f(3) = 0, og f( ) = a) Skisser grafen til f. b) Hva er definisjonsmengden og verdimengden til f? c) Er f kontinuerlig? Hvis ikke, hvor er bruddpunktene? Oppgave 3.4. La f(x) = x og g(x) = ln x. Regn ut h(x) og finn D h når a) h(x) = f(x) + g(x) b) h(x) = f(x) g(x) d) h(x) = f(g(x)) e) h(x) = g(f(x)) c) h(x) = g(x) f(x) Oppgave 3.5. Slakteren Frank selger vanligvis medisterdeig til 30 kroner per kilo, men kan friste med følgende rabattordning: Dersom du kjøper 3 kg eller mer, er prisen 5 kr per kg, og kjøper du 0 kg eller mer, slipper du unna med 0 kr per kg. La p(x) være prisen (i kroner) for x kg medisterdeig (x trenger ikke være et heltall). 30x, x [0, 3) a) Forklar at vi kan skrive p(x) = 5x, x [3, 0) 0x, x [0, ). b) Tegn grafen til p over intervallet [0, 0]. Identifiser bruddpunktene til grafen, og avgjør om grafen er kontinuerlig i disse. c) Er det lurt (sett fra et økonomisk synspunkt) å kjøpe 9 kg medisterdeig av Frank? Hva bør du gjøre hvis du trenger nøyaktig 9 kg? d) Bestem intervallene x ikke bør ligge i dersom du ønsker å få mest mulig medisterdeig for pengene. Oppgave 3.6. Regn ut ved å bruke Definisjon 3.3. a) 7 b).3 c) y, når y < 0 d) x, når x < 30

33 Oppgave 3.7. Skriv funksjonen uten å bruke absoluttverditegn. I punktene a) d) skal du også skissere grafen. a) f(x) = x + b) f(x) = e x c) f(x) = 3x x + d) f(x) = x x e) f(x) = x x f) f(x) = x Oppgave 3.8. Vis at for alle a R så er a = a. (Hint: Gjør tilfellene a 0 og a < 0 hver for seg.) Oppgave 3.9. a) Skisser grafen til f(x) = x over intervallet I = [ 3, 3]. Bruk resultatet til å skissere grafen til g(x) = x. b) Gjenta oppgave a) med f(x) = sin x, g(x) = sin x og I = [ π, π]. Ekstraoppgaver hvis du har tid: Oppgave 3.0. Tegn en sirkel med radius i et koordinatsystem slik at sentrum ligger i origo. a) Er dette grafen til en funksjon? Begrunn svaret. b) Fjern den nederste delen av sirkelen, slik at du står igjen med en halvsirkel med endepunkter (, 0) og (, 0). Er dette grafen til en funksjon. Hvilken? Oppgave 3.. Finn verdimengden til funksjonen. (Hint: Bruk metoden med å fullføre kvadratet til å skrive uttrykket på formen ±u + r, og husk at u 0 for alle u.) a) f(x) = x + 0x + 30 b) g(x) = x 5x + 5 c) h(x) = x x Oppgave 3.. Her skal vi se på en funksjon som sier noe om hvor godt du følger med på forkurset. Vi definerer funksjonen f som følger: Dersom x er en dag på forkurset, så er f(x) = antall (hele) oppgaver du løser den dagen antall ganger du sovner på forelesningen den dagen a) Hva er D f? Hvilke verdier kan f anta? b) Hva blir f(i dag) for deg? 3

34 4 Polynomer og rasjonale uttrykk 4. Polynomdivisjon På barneskolen lærte vi den mystiske kunsten å dividere tall med hverandre. Nå skal vi gjøre det samme med polynomer. Det er en enkel og nyttig teknikk, som absolutt bør være med i vår matematiske verktøykasse. Polynomdivisjon har store likhetstrekk med vanlig talldivisjon. Til glede for de kalkulatoravhengige som trenger en oppfriskning, minner vi om framgangsmåten ved å regne ut brøken 6: 7 Forklaring: Vi ser først på de to første sifrene i 6, altså 6. 6 : 7 = 3 Hva skal vi gange 7 med for å komme så nær som mulig men 4 ikke over 6? Svaret er, fordi 7 = 4, mens 3 7 =. Vi skriver derfor tallet rett etter likhetstegnet. Etter å ha subtrahert 4 fra 6, og trukket det siste -tallet ned, står vi 0 igjen med under streken. Siden : 7 = 3, føyer vi til tallet 3 i svaret. Divisjonen går opp, og resultatet blir 3. Før vi går i gang med divisjon av polynomer, la oss gi en presis definisjon av hva vi mener med et polynom, og noen relaterte begreper. Definisjon 4.. Et polynom i variabelen x er et uttrykk på formen a n x n + a n x n + + a x + a 0, der koeffisientene a 0,...,a n er reelle tall, og n N 0. Dersom a n 0, kaller vi n for graden til polynomet. En polynomfunksjon er en funksjon på formen der høyresiden er et polynom. Eksempler på polynomer er f(x) = a n x n + a n x n + + a x + a 0, x 0, 0.3x 4 3 x, 3x 6 + x 5 π, mens følgende uttrykk er ikke polynomer: x + sin(x), x, x + x 3

35 Nå er vi klare til å lære polynomdivisjon. Som eksempel ser vi på brøken x 3 3x + 5x 3. x For å regne ut hva dette blir, benytter vi det samme oppsettet som i talldivisjon. Vi bruker altså divisjonstegnet «:» i stedet for brøkstrek: (x 3 3x + 5x 3) : (x ) =? Det første vi gjør, er å identifisere de høyeste potensene i hvert polynom. Disse er her henholdsvis x 3 og x. Så spør vi: Hva må vi gange x med for å få x 3? Svaret er x, og dette skriver vi rett etter likhetstegnet. Deretter ganger vi x med x, og skriver resultatet (som blir x (x ) = x 3 x ) under det første polynomet: (x 3 3x + 5x 3) : (x ) = x x 3 x De to polynomene som står under hverandre, skal så subtraheres fra hverandre. Her er det lett å surre med fortegnene, så pass på! Resultatet blir: (x 3 3x + 5x 3) : (x ) = x (x 3 x ) x + 5x 3 Legg merke til at x 3 -leddet forsvant etter subtraksjonen. Dette er hele poenget med at vi valgte x som vårt første ledd i svaret. Vi gjentar prosedyren med x + 5x 3. Hva må vi gange x med for å få x? Det må bli x, som dermed er neste ledd i svaret. Videre regner vi ut at x (x ) = x + x, og dette skriver vi opp under x + 5x 3. Etter subtraksjonen står vi da igjen med følgende: (x 3 3x + 5x 3) : (x ) = x x (x 3 x ) x + 5x 3 ( x + x) 3x 3 Nå står vi igjen med divisjonen (3x 3) : (x ). Her kan man enten se direkte at dette blir 3, eller man kan tenke som før: Hva må vi gange x med for å få 3x? Jo, 33

36 tallet 3. Den fullstendige regningen blir uansett seende slik ut: (x 3 3x + 5x 3) : (x ) = x x + 3 (x 3 x ) x + 5x 3 ( x + x) 3x 3 (3x 3) 0 Siden vi står igjen med 0 nederst, gikk divisjonen opp. Svaret er det som står etter likhetstegnet. Skifter vi tilbake til brøkstrek igjen, har vi altså fått resultatet x 3 3x + 5x 3 x = x x + 3. Ganger vi med x på begge sider, får vi en faktorisering av telleren: (x 3 3x + 5x 3) = (x )(x x + 3). Å oppnå en slik faktorisering er ofte hensikten med å utføre en polynomdivisjon. I mange polynomdivisjoner ender vi aldri opp med 0 under streken. Det vil si at divisjonen ikke går opp. Måten vi takler dette på, er nok en gang svært lik den vi bruker for vanlige tall: 63 : 7 = = 63 7 = Vi måtte stoppe divisjonen når det som stod under streken var mindre enn 7 (med mindre vi skulle begynne med desimaltall). Tallet kaller vi resten i divisjonen. Nå ser vi på et tilsvarende eksempel med polynomdivisjon: Eksempel 4.. Regn ut x + 3x 7 x ved å bruke polynomdivisjon. 34

37 Løsning. Regningen blir slik: (x + 3x 7) : (x ) = x + 5 (x x) 5x 7 (5x 0) 3 Dersom vi skulle ha fortsatt divisjonen nå, ville neste ledd i svaret blitt 3 (fordi det x er det x må ganges med for å få 3). Men da ville ikke svaret vært et polynom lenger, så dette vil vi ikke ha. I stedet sier vi at 3 er restpolynomet i divisjonen, og skriver x + 3x 7 x = x x. Ved å gjøre eksemplet over litt mer generelt, kan vi vise at følgende regel holder: Teorem 4.. Polynomdivisjon Anta at vi har utført et visst antall ledd i en polynomdivisjon P(x) : Q(x), og at R(x) er polynomet som står igjen under streken. Dersom graden til R(x) er større eller lik graden til Q(x), kan divisjonen fortsette. Dersom graden til R(x) er mindre enn graden til Q(x), stopper divisjonen opp. R(x) kalles restpolynomet eller bare resten i divisjonen. Dersom det som står etter likhetstegnet er S(x), blir svaret på divisjonen at P(x) Q(x) = S(x) + R(x) Q(x). Spesielt, hvis resten R(x) er lik 0, går divisjonen opp, og vi har P(x) Q(x) = S(x). Legg merke til at dette gir en faktorisering av polynomet i telleren: P(x) = Q(x)S(x). Her ser vi altså på tallet 3 som et polynom (av grad 0). 35

38 4.. Flere eksempler Synes du divisjonen over var komplisert? Det er ikke til å komme unna at det er en smule kronglete å beskrive polynomdivisjon med ord. Men det blir det jo når man skal beskrive vanlig talldivisjon med ord også (bare se firkanten på side 3!), uten at dét er spesielt vrient. Det er ingen grunn til å la seg avskrekke. Har du først jobbet deg gjennom et par eksempler og skjønt systemet, kan polynomdivisjon bli en riktig så trivelig affære. Tips til polynomdivisjon. Dersom det første polynomet mangler noen ledd, blir oppstillingen lett rotete. Polynomer som x 3 + bør derfor skrives som x 3 + 0x + 0x +.. Regningen blir mer oversiktlig når leddene i hvert polynom står i riktig rekkefølge. Uttrykk som x bør derfor omskrives til x Husk de vanlige brøkreglene: Du kan forkorte eller gange med det samme oppe og nede, uten at brøken endrer verdi. Eksempel 4.. Utfør polynomdivisjonen (x 8) : (x + ), og bruk resultatet til å faktorisere x 8. Løsning. Vi skriver x 8 som x + 0x 8, og utfører polynomdivisjon på vanlig måte. Den fullstendige regningen blir slik: (x + 0x 8) : (x + ) = x 4 (x + 4x) 4x 8 ( 4x 8) 0 Siden vi fikk 0 til slutt, gikk divisjonen opp. Dette betyr at x 8 kan faktoriseres: x 8 = (x 4)(x + ). Eksempel 4.3. Skriv brøken enklere ved å bruke polynomdivisjon. 3 x + x 7 x3 + x 5 x 3 x 36

39 Løsning. I stedet for å dundre løs med divisjonen med en gang, kikker vi litt nærmere på brøken først. For eksempel ser vi at vi kan forkorte oppe og nede med x. Videre kan vi kvitte oss med de ubehagelige småbrøkene ved å gange oppe og nede med. Resultatet blir at 3 x + x 7 x3 + x 5 x 3 x = 3 + x 7x + x 4 x Dette er et mye hyggeligere uttrykk å regne med. Vi skriver leddene i telleren i synkende rekkefølge og utfører polynomdivisjonen på vanlig måte (x 4 + 0x 3 7x + x + 3) : (x ) = x 3 (x 4 x ) 6x + x + 3 ( 6x + 3) x Nå kommer vi ikke lenger, fordi x har lavere grad enn x. Divisjonen går altså ikke opp. Den opprinnelige brøken kan skrives slik: 3 x + x 7 x3 + x 5 x 3 x = 3 + x 7x + x 4 x = x 3 + x x. Moral: Mange polynomdivisjoner kan forenkles betydelig ved å gjøre noen små endringer før man starter å dividere. Ha alltid øynene oppe for slike muligheter! 4. Nullpunktsetningen I denne seksjonen skal vi se på et pent lite teorem som i mange tilfeller gjør det mulig å se om en polynomdivisjon går opp eller ikke uten å trenge å utføre den. Teoremet gjelder for alle divisjoner der divisoren (dvs. nevneren) er på formen x a, der a er et reelt tall. Først en enkel definisjon: Definisjon 4.3. Dersom polynomdivisjonen P(x) : Q(x) går opp, sier vi at P(x) er delelig med Q(x). Dette er ekvivalent med at det finnes et polynom S(x) slik at P(x) = Q(x)S(x). 37